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《光的本性》学习指导
上海师范大学附属中学 李树祥
一、学习要求
内容主题
知识内容
学习水平
要求说明
光
的
本
性
光的干涉 光的衍射
B
拓展
观察光的干涉现象和衍射现象（学生实验）
B
拓展
光的电磁说
A
拓展
光电效应 光子说
A
拓展
对光本性的认识过程
A
拓展
光的波粒二象性
A
拓展
二、人类对光本性的认识发展过程
1.微粒说：牛顿提出，认为光是一种从光源发出的物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度沿直线传播。它成功解释了光的直线传播、光的反射现象。困难问题是无法解释光的独立传播规律、光的直线传播只是近似规律、光在两种媒质分界面同时发生的反射、折射现象等。
2.波动说：惠更斯提出，认为光是在空间传播的一种波（机械波）。它成功解释了光的独立传播规律、两种媒质界面同时发生的反射、折射现象，以及后来发现的光的干涉和衍射。困难是解释光的直线传播，以及光在真空中的传播
（1）光的干涉：两列频率相同的光波在空中相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，出现明暗相间的条纹或者是彩色条纹的现象叫做光的干涉[1]。
①双缝干涉： 由英国物理学家托马斯.杨首次在实验室完成。相干光源的获得：光从第一狭缝S到达同距离对称的双狭缝S1、S2，通过这两个狭缝的光由于来自同一束光，因此从S1、S2射出的光具有相同的振动情况，即为两个相干光源。现象是出现中央明条纹，两边等距分布的明暗相间条纹。在相同的实验装置条件下，相邻的明（或暗）条纹中央之间距离与波长成正比；在波长相同的条件下，相邻条纹间的距离与两孔的距离成反比，与狭缝与光屏之间的距离成正比。当用白光做双缝干涉实验时，除中央条纹为白光外，其余为彩色条纹。
②薄膜干涉：相干光源的形成：薄膜的前后表面产生的两束反射光相遇后成为相干光波(注意：用单色光照射时，出现明暗相间的条纹；用白光照射时，出现彩色条纹。观察到的干涉条纹实际上是等厚线，即同一个条纹上各处膜的厚度是相等的。由于是两列反射波相遇叠加形成的干涉图样，因而应当从光源的一侧观察薄膜的干涉图样（让反射光线进入眼睛！）。
（2）光的衍射：光偏离了直线前进的方向而绕到障碍物阴影区域的现象，叫做光的衍射。障碍物或小孔的尺寸越接近光的波长或小于光的波长，光的衍射现象越明显。
①小孔衍射：用点光源照射圆孔，当孔径由大到小逐渐减小到零的过程中，依次出现：亮圆；亮圆的面积逐渐减小；光源的灯丝的像（以上的现象都是光的直线传播的结果）；衍射圆环（形状是中间为亮圆，外面是圆环；如果实验用白光照射圆孔，图样将是中间为白色亮圆、外面是彩色圆环）；衍射圆环逐渐变大，亮度逐渐减弱；全部暗下来。
②单缝衍射：光源照射狭缝，当狭缝很宽时，衍射现象极不明显，光沿直线传播，在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线；但当缝的宽度调到很窄，可以跟光波相比拟时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹，条纹的宽度不同，中央亮条纹最宽；纹缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，但亮度越来越暗。：
③小圆板衍射：光照射不透明的很小的小圆板时，在黑影中央（直线传播形成的影）有一个极小的亮斑—泊松亮斑。
3.光的电磁说：麦克斯韦提出，认为光是一种电磁波。
（1）麦克斯韦的电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，周期性变化的电场和磁场形成一个统一体，叫做电磁场。电磁场由发生区域向外传播，就形成电磁波。电磁波在真空中的光速等于光在真空中的速度。
（2电磁波谱：频率由低到高：无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴（X）射线、g射线。部分波段频率有交叉。
（3）电磁波的特点：①电磁波的传播不需要介质；②电磁波是横波（电场、磁场、传播方向三者相互垂直）；③真空中电磁波的传播速度与光速相等（介质中的传播速度由介质和电磁波的频率共同决定）；④波速、波长、频率的关系式仍然成立；⑤电磁波可以脱离电荷而独立存在。
（4）电磁波的频率范围、实际用途。
电磁波种类
无线电波
红外线
可见光
紫外线
伦琴射线
γ射线
频率（Hz）
104～
3×1012
1012～
3.9×1014
3.9×1014
～
7.5×1014

7.5×1014
～5×1016
3×1016
～
3×1020
3×1019
以上
用途
通讯，广播，导航
加热烘干、遥测遥感，医疗，导向等
照明，照相，加热
杀菌消毒，荧光效应，治疗皮肤病等
检查探测，透视，治疗等
探测，治疗等
4.光子说：爱因斯坦提出，认为在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量与频率成正比，即E=hn。h=6.63´10-34Js，称为普朗克常数。
（1）光电效应现象：光照射到物体，从物体表面逸出电子的现象，叫做光电效应。逸出的电子称为光电子。
（2）光电效应的四个规律：
①对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应，低于这个极限频率，无论强度如何，无论照射时间多长，也不能产生光电效应；
②只要入射光的频率高于金属极板的极限频率，无论其强度如何，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过10—9s.
③发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大；
④ 在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数跟入射光的强度成正比；
经典的电磁理论对光电效应的前三个规律无法做出合理的解释，于是爱因斯坦借用了普朗克的量子假设提出的光子说
5.光的波粒二象性：光的波动说表明光是一种波，光的电磁说表明光是电磁波，而光电效应现象和光子说同时也说明光具有粒子性，但光子说并没有排斥电磁说，因为光子的能量与频率成正比，而频率是反映波的特性的物理量。后来的科学研究表明，光既具有波动性，又具有粒子性，这就是光的波粒二象性。
光既不是宏观世界中的机械波，也不是宏观世界中的粒子。光的波动性是指光在传播过程中，光子在空间各点出现的机会多少，因此，大量的光子表现出波动性，这就是概率波（不是机械波）。光的粒子性是指光与物质作用时，是“一份一份”进行的，每一份叫一个“光子”，而且这种粒子的运动是没有规则的（是不可预测的，即所谓的“不确定性”）。
少量光子表现出粒子性（无规则），大量光子表现出波动性（显示概率）。因此，大量的光子以及在光传播的过程中显示出波动性；少量的光子以及光与其它物质相互作用的时候显示出粒子性。
三、典型例题
1、光的干涉
例1. 在点燃的酒精灯（在灯芯上洒些盐）旁竖立附着一层肥皂液薄膜的金属线圈，将金属线圈在其所在的平面内缓慢旋转，观察到的现象是（ ）
A当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°
B当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°
C当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°
D干涉条纹保持不变
解析：肥皂液薄膜被照射形成薄膜干涉，薄膜由于是缓慢转动，所以由于重力的作用，会使膜总是上薄下厚，由于同一条纹对应同一厚度，所以形成的条纹都是水平的。因此答案选D
2、光的衍射
例2、下列现象哪些是光衍射产生的（　　），
A著名的泊松亮斑
B阳光下茂密树荫中地面上的圆形亮斑
C光照到细金属丝上后在其后面屏上的阴影中间出现亮线
D阳光经凸透镜后形成的亮斑
解析：光线通过小圆盘，则会在屏上出现中心有亮斑，说明光线也偏离原来的直线方向传播，所以属于光的衍射，故A正确；阳光下茂密树荫中地面上的圆形亮斑，是属于小孔成像现象，故B错误；光照到细金属丝后，在其后面屏上的阴影中间亮线，是光传播到了“阴影”区域，属于光的衍射现象，故C正确；太阳光通过三棱镜产生彩色条纹，是由于光发生了色散现象即属于光的折射现象，故D错误。故选AC．
图1
3、光电效应
例3.如图1所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是( )
A．有光子从锌板逸出 B．有电子从锌板逸出
C．验电器指针张开一个角度 D．锌板带负电
解析：用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的，锌板上的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出，称之为光电子，故A错误，B正确；锌板与验电器相连，带有相同电性的电荷，锌板失去电子应该带正电，且失去电子越多，带正电的电荷量越多，验电器指针张角越大，故C正确，D错误。
4.光的波粒二象性
图2
例4.用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图2(a)(b)(c)所示的图象，则( )
A．图象(a)表明光具有粒子性
B．图象(c)表明光具有波动性
C．用紫外光观察不到类似的图像
D．实验表明光是一种概率波
解析：图像(a)只有分散的亮点，表明光具有粒子性；图像(c)呈现干涉条纹，表明光具有波动性；用紫外光也可以观察到类似的图象，实验表明光是一种概率波，选项A、B、D正确。